• Começa com um estrondo

JWST encontra planetas flutuantes na nebulosa de Órion?

Na maior região de formação estelar próxima da Terra, o JWST encontrou centenas de objetos de massa planetária. Como se formam esses planetas flutuantes?

Principais conclusões

• Uma das regiões mais estudadas do céu é a grande Nebulosa de Órion: a maior e mais próxima região de formação estelar da Terra, onde milhares de estrelas recém-nascidas, incluindo muitas com planetas, ganham vida.
• Com imagens anteriores do espaço e da Terra, revelamos discos protoplanetários, nós de gás, fluxos estelares jovens e um enorme número de estrelas em formação recente.
• Mas com o JWST, ultrapassamos esses limites e também revelamos centenas de planetas com a massa de Júpiter naquela nebulosa. Nossa melhor teoria anterior sobre a formação de planetas não consegue explicá-los, sugerindo algo notável.

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Se há uma coisa que quase sempre é verdade na ciência da astronomia, é esta: sempre que você tem um novo instrumento, telescópio ou observatório - um que seja mais poderoso e com novas capacidades que superam todos os outros anteriormente - você certamente descobrirá novos detalhes onde quer que você olhe, mesmo que esteja olhando para um objeto que você já viu milhares de vezes antes. Desde meados de 2022, quando o JWST concluiu as suas operações de comissionamento e começou a observar vários aspectos do Universo, revolucionou a nossa visão de planetas, estrelas, nebulosas, galáxias, aglomerados de galáxias e dos recessos mais profundos e escuros do Universo distante.

Recentemente, no entanto, voltou a sua atenção para a Nebulosa de Órion : a grande região de formação estelar mais próxima da Terra. Localizado a apenas 1.300 anos-luz de distância e contendo cerca de 2.000 vezes a massa do Sol, ele se estende por mais de um grau quadrado completo no céu, enquanto o aglomerado estelar mais denso dentro dele, o Cluster Trapézio , contém aproximadamente 2.800 estrelas localizadas a 20 anos-luz uma da outra.

Notavelmente, conforme detalhado em dois novos papéis por Mark McCaughrean e Sam Pearson , eles descobriram mais de 500 objetos semelhantes a planetas com a massa de Júpiter flutuando livremente na região pesquisada, com impressionantes 9% deles em sistemas binários, tornando-os JuMBOs : Objetos binários de massa de Júpiter. Embora a descoberta destes objetos e a sua abundância tenham inicialmente sido uma surpresa para todos, é muito provável que a astrofísica tenha as respostas. Aqui está o que todos deveríamos suspeitar fortemente, com base nessas novas descobertas.

Essas duas visualizações lado a lado estão centradas no Aglomerado do Trapézio dentro da Nebulosa de Órion e mostram visualizações de comprimento de onda infravermelho curto (superior) e comprimento de onda infravermelho longo (inferior) desta região do espaço, conforme obtido com o JWST. Imageador NIRCam.

Um dos aspectos mais maravilhosos de estarmos localizados onde estamos no espaço - na periferia de um braço espiral dentro de uma galáxia massiva, evoluída e rica em gás como a Via Láctea - é que temos acesso a muitas coisas que ocorrem relativamente perto, num sentido cósmico. Há muito pouca poeira interestelar na nossa localização, por exemplo, tornando fácil ver milhares de anos-luz em todas as direções. Num raio de 100 anos-luz de nós, existem milhares de estrelas, o que nos permite fazer um censo. Foi demonstrado que muitas destas estrelas têm planetas ao seu redor, o que nos permite calcular quais condições são favoráveis ​​para estrelas formarem planetas.

E, talvez de importância muito relevante, também vemos berçários estelares: regiões do espaço que estão em processo de formação ativa de estrelas. A Nebulosa de Órion, a grande região de formação estelar mais próxima da Terra, tem a honra de ser talvez o primeiro objeto astronômico além do nosso Sistema Solar. ser fotografado , remontando ao início da década de 1880. Dentro dele não estão apenas estrelas recém-formadas, incluindo muitas estrelas massivas e brilhantes que estão destinadas a ter vida curta, mas também nuvens de gás molecular em colapso, protoestrelas envoltas em poeira com discos protoplanetários (isto é, formadores de planetas) ao seu redor, e glóbulos gasosos em evaporação, sendo evaporados pela radiação de estrelas recém-nascidas próximas.

Em 2016, o instrumento HAWK-I do ESO completou um mapa infravermelho terrestre da Nebulosa de Órion, produzindo esta imagem que aqui mostramos. Dentro dessa imagem, na época, foi descoberto um grande número de objetos de massa planetária entre 3 e 13 massas de Júpiter: mais do que o previsto. Com resultados ainda mais recentes do JWST, objetos mais fracos e de menor massa foram descobertos em números muito maiores, incluindo uma surpresa: 9% deles eram objetos binários.

Com as capacidades únicas do JWST em termos de alcance e sensibilidade infravermelho, bem como sua resolução de energia e resolução espacial muito altas, ele é capaz de resolver detalhes que nunca foram vistos antes em uma ampla variedade de sistemas. Já foi visto estrelas próximas com discos protoplanetários e vimos detalhes que nunca fomos capazes de resolver antes, como um disco interno e a primeira existência de um “cinturão intermediário” analógico, encontrado entre o local onde ficam os cinturões de asteróides e Kuiper do nosso próprio Sistema Solar.

Mas o que o JWST veria quando olhasse para o interior da Nebulosa de Órion, onde milhares de novas estrelas, dezenas de discos protoplanetários e grandes quantidades de poeira bloqueadora de luz já haviam sido descobertas?

Uma nova característica interessante do JWST é a sua capacidade de observar em alta resolução espacial: algo anteriormente acessível apenas a observatórios espaciais muito grandes, como o Hubble, ou a observatórios terrestres extremamente grandes. No entanto, diferentemente de qualquer um deles, o JWST é otimizado para observação infravermelha. Não apenas “um pouco no infravermelho próximo”, que é o que o Hubble e a maioria dos observatórios terrestres podem fazer, mas em todo o conjunto de comprimentos de onda do infravermelho próximo: de 0,7 mícron até 5,0 mícron, bem como (com um instrumento diferente) em comprimentos de onda do infravermelho médio (de 5,0 a 28 mícrons).

As caixas verdes, que se sobrepõem a uma parte da imagem terrestre anterior da Nebulosa de Orion, mostram onde o JWST concentrou as suas observações NIRCam dentro de Orion, focadas no Aglomerado do Trapézio e nas áreas circundantes. Está dentro deste aglomerado, que contém cerca de 2.800 estrelas num raio de apenas cerca de 10 anos-luz, bem como muitos objetos interessantes empoeirados e subestelares.

Esses estudos recentes que acabaram de ser realizados da Nebulosa de Órion - estudos que ainda faziam parte do programa científico do primeiro ano do JWST - focaram em uma porção estreita da Nebulosa de Órion, centrada no denso aglomerado do Trapézio e que abriga algumas das estrelas mais jovens conhecidas: estrelas cuja idade média é apenas cerca de 300.000 anos. Durante a maior parte da história humana, a maior parte do aglomerado do Trapézio foi obscurecida pela poeira.

No entanto, a poeira é notável por uma série de razões, e uma delas é que ela não bloqueia todos os comprimentos de onda da luz igualmente. Os grãos de poeira, sendo de tamanho relativamente pequeno (em média), são preferencialmente excelentes no bloqueio de comprimentos de onda de luz mais curtos e azuis. A luz vermelha (a ~700 nanômetros) passa mais facilmente através de uma nuvem de poeira do que a luz azul (a ~400 nanômetros) e, portanto, um dos efeitos observacionais da poeira é o que os astrônomos chamam de vermelhidão.

No entanto, outra característica da poeira é que ela se torna ainda mais transparente para comprimentos de onda de luz mais longos. A 2,0 mícrons, a poeira bloqueia uma porção muito menor da luz do que a 0,7 mícrons. Em 3,5 ou 5,0 mícrons, os efeitos de bloqueio de luz da poeira são ainda menores, permitindo a passagem de cada vez mais luz nesses comprimentos de onda. Isto torna mais fácil visualizar uma série de detalhes importantes: gás quente, futuros locais de formação estelar, protoestrelas e até anãs marrons e planetas gigantes gasosos.

Estas imagens aproximadas dos Pilares Norte e Sul encontrados a leste dos aglomerados do Trapézio na Nebulosa de Órion são mostradas em comprimentos de onda do infravermelho curto (esquerda) e comprimentos de onda do infravermelho longo (direita). Observe a cor verde nas porções de comprimento de onda longo das imagens, provavelmente um marcador de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos: moléculas orgânicas.

Este último facto é geralmente subestimado pelo público em geral. Como estamos acostumados a ver o Universo na luz visível, nossa maneira normal de pensar é:

• estrelas emitem luz,
• outros objetos no espaço absorvem e/ou refletem a luz das estrelas,
• e então o que vemos é uma combinação de luz estelar emitida, refletida e bloqueada (ou “extinta”).

Isto geralmente é verdade para a luz visível, já que muito raramente os objetos não estelares são quentes o suficiente para emitir luz visível: na faixa de comprimento de onda de 400-700 nanômetros (0,4-0,7 mícrons).

No entanto, quanto mais avançamos no infravermelho, melhor conseguimos ver objetos “mais frios”, que emitem os seus próprios comprimentos de onda de luz mais longos. Quando JWST fotografou Saturno , completou o seu retrato dos gigantes gasosos do nosso Sistema Solar, de Júpiter a Neptuno, inclusive. No entanto, os quatro mundos pareciam muito diferentes um do outro por uma boa razão. Em Saturno, Urano e Netuno, as características que o JWST viu foram principalmente devidas à luz solar refletida: de nuvens e gelo em suas atmosferas e anéis. No entanto, Júpiter é uma história diferente; devido à sua grande massa, Júpiter possui uma quantidade substancial de calor interno, ainda mais de 4,5 mil milhões de anos após a sua formação. Ao contrário de outros mundos gigantes do nosso Sistema Solar, parte da luz infravermelha de Júpiter provém do facto de este emitir o seu próprio calor: substancial o suficiente, na verdade, para parecer visível aos olhos do JWST.

Mostrados aqui calibrados para o mesmo “tamanho real” relativo um do outro, a aparência de Saturno é fraca e escura em comparação com Júpiter. Isto deve-se a uma mistura de características de absorção na atmosfera superior de Saturno que não são tão dominantes em Júpiter, mas também ao facto de Júpiter ser intrinsecamente muito mais brilhante do que Saturno em luz infravermelha, uma vez que Júpiter produz muito do seu próprio calor internamente.

O que isto significa é que, ao observar esta parte da Nebulosa de Orion em muitos “filtros” infravermelhos diferentes de luz, o JWST será sensível a uma grande variedade de objetos, incluindo algumas classes de objetos que eram inacessíveis a todas as gerações anteriores de telescópios. Ele verá:

• estrelas completas,
• protoestrelas com discos protoplanetários ao seu redor,
• anãs marrons (isto é, estrelas fracassadas) que queimam deutério, mas não hidrogênio, em seus núcleos,
• e objetos subestelares que produzem sua própria luz infravermelha,

entre outros nós de gás e poeira que são tão comuns em nebulosas como essas.

A chave para dizer “o que é o quê” é simplesmente observar em uma série de comprimentos de onda diferentes, incluindo uma variedade de comprimentos de onda infravermelhos curtos e uma série de comprimentos de onda infravermelhos mais longos, à medida que os objetos emitem diferentes quantidades de luz dependendo de suas temperaturas e temperatura - pelo menos para objetos que emitem sua própria energia – é uma função direta da massa. Portanto, torna-se possível, assumindo que entendemos corretamente a relação entre massa, temperatura e emissão em diferentes comprimentos de onda, usar o JWST não apenas para identificar vários tipos de estrelas, anãs marrons e objetos gigantes de massa planetária, mas também para distingui-los de um. outro, mesmo num local tão complexo e distante como a Nebulosa de Órion.

Cinco JuMBOs diferentes, ou objetos binários de massa de Júpiter, encontrados em uma região muito pequena da nebulosa de Órion. Observe que esses JuMBOs específicos são numerados de 31 a 35, indicando que existem dezenas desses objetos. De todos os objetos com a massa de Júpiter encontrados por esta pesquisa, cerca de 9% deles estão trancados em sistemas binários.

Embora eles certamente tenham encontrado muitas coisas esperadas nesta região do espaço, foi uma tremenda surpresa lá : uma nova classe de objeto que os autores chamam JuMBOs: objetos binários de massa de Júpiter . Ao todo, cerca de 540 objetos com a massa de Júpiter foram avistados, variando de cerca de 0,6 massas de Júpiter, aproximadamente o limite inferior do que o JWST pode identificar, até cerca de 13 massas de Júpiter, ou a linha aproximada entre o planeta mais massivo e o planeta mais massivo. anã marrom menos massiva. Isto representa um muito de planetas; muito mais do que simulações e modelos anteriores de nebulosas de formação de estrelas teriam previsto.

Mas o que é ainda mais surpreendente é que 9% desses objetos estão em sistemas binários amplos, uma fração muito maior do que se poderia esperar. Os próprios investigadores chamam isto de “um resultado que é altamente inesperado e que desafia as teorias atuais da formação de estrelas e de planetas”.

No entanto, pode não ser uma surpresa tão grande, afinal, se considerarmos não apenas os dois meios mais comuns de formação planetária, conhecidos como cenários de “instabilidade do disco” e “acreção central”, mas uma terceira opção que é esperada surgir onde quer que novas estrelas se formem, mas nunca foi observado diretamente antes: um lugar onde a formação de protoestrelas e protoplanetas é abruptamente interrompida, à medida que o colapso gravitacional da matéria perde a corrida contra as forças de evaporação do material de formação de estrelas devido à radiação ultravioleta de estrelas próximas.

Olhando para a mesma região do espaço em três comprimentos de onda diferentes de luz, uma visão infravermelha de comprimento de onda curto, uma visão infravermelha de comprimento de onda longo e uma visão de banda estreita em um comprimento de onda de 1,87 mícrons, revela muitas características diferentes dentro da mesma região do Orion. Nebulosa. As características brilhantes e brilhantes em longos comprimentos de onda de luz indicam grandes quantidades de matéria neutra modestamente fria, apontando para a formação de estrelas ainda em curso nessas regiões.

Se tudo o que você tem é uma nuvem de gás molecular, a forma como a formação de estrelas ocorre é normalmente a seguinte.

• A nuvem de gás irá se fragmentar, colapsando em aglomerados contraídos por toda parte.
• Onde as densidades aumentam mais rapidamente, novas protoestrelas começam a se formar.
• Essas protoestrelas geralmente adquirem discos protoplanetários ao seu redor.
• Dentro de cada disco, imperfeições gravitacionais surgem, crescem e levam a núcleos protoplanetários.
• Os maiores núcleos protoplanetários agregam-se em planetas (ou mesmo protoestrelas) e podem desenvolver os seus próprios discos circunplanetários onde se formarão sistemas lunares (ou planetários): o cenário de “acréscimo de núcleo”.
• A distâncias ainda maiores da protoestrela central, a instabilidade gravitacional e o colapso rápido e precoce da matéria podem criar planetas gigantes ou mesmo estrelas adicionais: o cenário de “instabilidade do disco”.
• E então, de todas as estrelas recém-nascidas, cumulativamente, são emitidas grandes quantidades de radiação ultravioleta.
• Esta radiação evapora a matéria em colapso em torno dos aglomerados de contração que colapsaram mais lentamente ou cresceram a partir de imperfeições de densidade inicial menores.
• E, quando material suficiente for evaporado, qualquer que seja o estado de crescimento “atrofiado” em que o sistema se encontrava naquela altura, será tudo o que resta.

É muito provável que não sejam os “planetas gigantes ejetados” que compõem todos esses planetas com a massa de Júpiter, mas sim que uma fração substancial deles sejam sistemas estelares falidos e evaporados. E é ainda mais provável que a explicação do “sistema estelar falido” seja a culpada por trás da maioria, ou talvez até de todos, desses objetos da classe JuMBO: os objetos binários de massa de Júpiter vistos pelo JWST.

À medida que olhamos para massas cada vez mais baixas, descobrimos que sistemas binários amplos são menos comuns à medida que descemos para uma fração da massa solar. No entanto, de acordo com o estudo recente que descobriu todos estes objetos binários de massa de Júpiter (JuMBOs) na nebulosa de Órion, essa fração parece aumentar novamente quando saímos do regime da “anã castanha” e diminuímos para o regime de massa planetária. Actualmente, esta observação permanece inexplicada, embora existam ideias.

Uma das razões pelas quais isso é surpreendente é que você pode calcular, a partir de simulações que envolvem gravidade, gás, feedback, radiação e uma série de outros fatores contribuintes, qual deve ser a “massa mínima” de um sistema para iniciar a primeira etapa. de “fragmentação” de uma nuvem molecular inicial de gás. A resposta, embora talvez seja ingênua, normalmente gira em torno de 3 a 5 massas de Júpiter.

Então, como é possível que estejamos vendo objetos com a massa de Júpiter, incluindo um aumentando fração de objetos binários em massas mais baixas, até apenas 0,6 massas de Júpiter?

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A resposta poderia muito bem ser que a formação estelar é uma grande corrida cósmica e, nesta corrida, há uma tremenda diferença entre o primeiro colocado e o milésimo colocado, e que o décimo milésimo colocado - em um ambiente como o Orion Nebulosa – é improvável que tenha a chance de terminar a corrida. Em vez disso, o que é provável que aconteça é que, uma vez que um número suficiente de estrelas suficientemente massivas comece a produzir quantidades suficientemente grandes de radiação ultravioleta, essas protoestrelas em fase inicial, aquelas que ainda não tinham atingido uma massa suficientemente grande para iniciar a fusão nuclear nos seus núcleos ( ou mesmo, realisticamente, para se aproximarem), vêem as suas reservas de gás esgotadas de fora para dentro. Eles simplesmente ficam sem matéria e passam a existir permanentemente em qualquer estado embrionário em que se encontravam no momento em que seus berçários estelares foram destruídos.

Aqui, glóbulos gasosos em evaporação são vistos na borda de uma região de formação estelar dentro da Nebulosa de Órion, com estrelas recém-nascidas, objetos Herbig-Haro e muitas fontes de luz mais fracas, incluindo protoestrelas, anãs marrons e até objetos de massa planetária encontrados. dentro. À medida que o gás continua a evaporar, mais e mais destes objetos de menor massa deverão ser revelados.

Ainda é uma especulação saudável neste momento, já que esta nova classe de objetos nunca foi vista antes, e os passos críticos que resultam na sua formação ainda não foram identificados observacionalmente, mas estes JuMBOs podem ser o resultado direto de uma nova classe de planetas. : não os planetas rebeldes que foram ejetados de um sistema estelar que estava em processo de formação de planetas, mas sim as sementes do que teria sido uma estrela, se não fosse pela violência de seus ambientes. Em outras palavras, enquanto os planetas ejetados são órfãos, arrancados de suas estrelas-mãe através da violência gravitacional, muitos desses planetas com a massa de Júpiter, incluindo os JuMBOs detectados aqui , são os restos de um processo abortivo que simplesmente os impediu de crescer e se tornar um sistema estelar próprio e completo.

A boa notícia é que, com observações a longo prazo das regiões mais nebulosas que estão em fase de formação estelar activa - incluindo dentro da Nebulosa de Órion, mas também noutros locais da Via Láctea - deveremos ser capazes de reunir os dados observacionais necessários para ver precisamente como e de onde surgem esses objetos, bem como todos os objetos formados nessas regiões. Por enquanto, porém, não temos escolha senão aceitar os dados observacionais pelo que realmente são: um quebra-cabeça. Afinal, é fácil encontrar um mecanismo plausível pelo qual algo possa surgir. Demonstrar que esse é realmente o mecanismo em ação é a parte difícil.

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